滤清器支架压铸充型凝固过程数值模拟及工艺研究

安振须，黄 勇，张 景，孟昭昕

(沈阳理工大学 材料科学与工程学院，沈阳 110159)

滤清器支架压铸充型凝固过程数值模拟及工艺研究

安振须，黄 勇，张 景，孟昭昕

(沈阳理工大学 材料科学与工程学院，沈阳 110159)

根据铝合金滤清器支架的结构特点，设计了铝合金滤清器支架压铸模具和压铸工艺。用ProCAST模拟软件对滤清器支架进行压铸充型凝固过程数值模拟，模拟出合理的压铸工艺参数：浇注温度630℃，压射速度1.0m/s，模具预热温度200℃。用制造出的压铸模具进行压铸生产，得到了合格的压铸件，模拟结果可以应用于实际生产中。

滤清器支架：铝合金；数值模拟；压铸

压铸是在高速、高压作用下，使液态或半固态金属以较高的速度充填压铸模型腔，并在压力下成型和凝固而获得铸件的方法[1]。目前，压铸过程数值模拟已经有了很大的发展，杨杰等对压铸充型的流场进行了数值模拟，研究了充型及凝固过程铸型内金属液速度场的变化情况，并进一步分析不同条件对铸件凝固进程的影响[2]；陈彬等采用有限元法对压铸模的温度场进行了数值模拟，分析了压铸模温度场的分布对铸件热裂缺陷的影响[3]。随着计算机模拟技术的发展，数值模拟已经在汽车零部件生产上取得了广泛应用。滤清器支架是三菱发动机的重要元件之一，在工作时要承受一定的压力，质量要求较高。本文用ProCAST铸造模拟软件对滤清器支架充型和凝固过程进行了数值模拟[4]，并将模具预热温度、浇注温度和压射速度作为三因素，进行正交试验模拟，并进行结果分析，优化出合理的工艺参数用于实际生产。

1 铸件工艺性分析及浇注系统设计

1.1 铸件工艺性分析

铝合金滤清器支架，其轮廓尺寸为125mm×107mm×70mm，平均壁厚为3.82mm，压铸精度为CT5；铸件中心是一个直径φ17mm的盲孔和两个凹槽，边上有三个直径φ8mm、深15mm的通孔；侧面有两个通孔，需要侧抽芯完成。因此，该件属于复杂型压铸零件。用UG软件设计出铸件的三维图，如图1所示。

图1 滤清器支架零件立体图

1.2 铸件内浇口设计

铝合金压铸件内浇口填充速度v的推荐值为20～60m/s[5]，本文选取40m/s，充型时间为0.05s，内浇口计算公式[5]：

(1)

式中：Ag为内浇口横截面积(mm2)；G为通过内浇口金属液的总质量(g)；ρ为液态金属的密度(g/cm3)；v为金属液在内浇口处的速度(m/s)；t为型腔填充时间(s)。将G=198g，ρ=2.74g/cm3，v=40m/s，t=0.05s带入公式(1)，计算得出内浇口横截面积Ag=41.2mm2。根据内浇口厚度、宽度和长度经验数值[5]，可确定此压铸件内浇口厚度为2.0mm，宽度为20mm，长度为2mm。

2 滤清器支架压铸过程数值模拟

2.1 边界条件的确定

滤清器支架压铸件材质为AlSi9Mg铝合金，合金的液相线温度为582.3℃、固相线温度为546.0℃、密度为2.74g/cm3。模具材质为H13钢。假设铸件与模具之间没有间隙，金属液与模具之间只有热传导一种方式，模具外表面与空气之间只有对流换热[6]。铸件与模具的换热系数为1500W/(m2·K)，模具与空气的换热系数为10W/(m2·K)，模具与模具之间的换热系数为2000W/(m2·K)[7]。模拟终止温度：300℃；模拟终止步长：5000步。

2.2 正交试验设计及结果分析

正交试验是研究多因数多水平的一种试验设计方法。它是根据正交性，从全面试验中挑选出部分具有代表性的点进行试验，这些代表性的点具备了均匀分散、整齐可比的特点。试验模拟选用多因数多种水平进行耦合，比较浇注温度、压射速度和模具预热温度对铸件质量影响，采用三因数三水平的方式进行对比，因数水平如表1所示，正交试验如表2所示。

表1 因数水平表

表2 正交试验表

正交试验设计和模拟完成后，对模拟结果进行分析。以铸件的缩松缩孔为模拟结果的评价指标，在铸件模型上切取三个剖切面(Z=4mm，Z=12mm，Z=25mm，以第5组试验为例)，如图2所示，以三个剖切面上缺陷的孔隙值总和作为评价指标(见表2)，指标的值越小，压铸件质量越好。表3为9组试验的缩松缩孔模拟结果分析。

图2 三个剖切面示意图表3 正交试验数据分析

mm2

对因数的极差计算分析可以看出，因数的极差ΔRA﹥ΔRB﹥ΔRC。根据极差数的大小，可以判断因数对试验结果影响的大小，极差越大，说明因数对试验结果影响越大，反之则越小。由此可知，模具的预热温度(因数A)对铸件的缩松缩孔的形成影响最大，压射速度(因数B)的影响次之，浇注温度(因数C)对缩松缩孔的影响最小。

在表3中，对试验数据进行方差齐性分析，将因数的模拟方差齐性值F比与显著性水平为0.05、因数自由度为2、误差自由度为2的标准方差齐性值F0.05(2,2)作比较，考察各个因数对试验结果影响的显著性，查方差齐性值表可知F0.05(2,2)=19.0[8]。

因数A的F比大于F0.05(2,2)，则因数A(模具预热温度)对试验结果影响显著；因数B的F比与F0.05(2,2)的值基本相等，则因数B(压射速度)对试验结果的影响较显著；因数C的F比远小于F0.05(2,2)的值，则因数C(浇注温度)对试验结果的影响不显著。

方差齐性分析和极差分析得出的因数对试验结果的影响结论一致，即模具的预热温度对铸件的缩松缩孔形成影响最显著，压射速度次之，浇注温度影响最小[9]。说明各因数水平的改变所引起的试验结果的波动是由试验条件的不同而引起的，与试验误差无关[10]。

总结以上分析，缩孔缩松值越小越好，根据水平平均值确定出最优水平组合A2B2C2，即模具预热温度为200℃、压射速度为1.0m/s、浇注温度为630℃为最优的压铸参数组合。

2.3 合理方案充型过程模拟

通过正交试验得到优化的工艺参数，对此方案进行充型和凝固过程模拟，图3为滤清器支架充型过程模拟结果。

金属液体在压力作用下进入直浇道，并在直浇道、横浇道、内浇道堆积，如图3a所示。当金属液体充满浇道后开始进入型腔，随着充型过程的进行，金属液体进入型腔并向铸件流动，如图3b所示。充型进行到75%后，金属液在铸件内交汇，交汇部位的金属液可能出现紊流情况，容易卷入气体，形成气孔等缺陷，如图3c所示。铸件充型0.0503s时，金属液充满型腔，铸件形状完整，轮廓清晰，如图3d所示。

图3 滤清器支架充型过程模拟

2.4 合理方案凝固过程模拟

为观察滤清器支架铸件凝固过程中温度的变化和缩孔缩松的分布情况，对铸件进行凝固过程模拟，图4为滤清器支架压铸件凝固过程模拟结果。

图4a为凝固3s时铸件的固相分数，图4b为凝固6s时的温度场。由图4a可以看到，铸件浇道的固相分数最低，温度最高。由图4b可以看到，铸件溢流槽最先凝固，浇道后凝固，这种浇道对铸件起到很好的补缩作用，有利于减少铸件内部缺陷的产生，铸件基本实现了顺序凝固。图4c为缩孔缩松分布图，可以观察到铸件的缩孔缩松大部分出现在铸件热结、浇口和溢流槽内，溢流槽和浇口中的缩孔缩松对铸件质量没有影响。通过ProCAST软件的Visual-Viewer模块读得铸件凝固时间为16.3714s，铸件的缩孔疏松比为2.0527。

图4 凝固过程模拟

3 压铸实验

选用J1128G卧式冷室压铸机，压室直径选50mm，因为该铝合金滤清器支架气密性和强度要求较高，所以选择的压射比压为100MPa。生产出的压铸件如图5所示。铸件表面没有明显缺陷，剖开后，铸件内部没有出现宏观的缩孔缩松。

在铸件不同部位进行取样，观察金相组织，如图6所示(显微缩松已用黑线圈出)。

由图6a看出，由于受到压铸模具的影响，激冷比较明显，晶粒较均匀，没有出现缩孔、缩松缺陷。图6b处显微缩松的数量相对较多，但其尺寸是微米级的，其产生原因是铝合金液冷却较慢、补缩不够充分或充型过程中合金液产生卷气现象造成的。由图6b可以看到，铸件热节部位的铝枝晶比较粗大，原因是铸件热节处壁厚大，冷却速度慢，晶粒长大时间长。

图5 实际生产的滤清器支架

图6 滤清器支架微观组织

将标准试样通过研磨、抛光、腐蚀后，用日立S-34000N扫描电子显微镜进行金相形貌观察。如图7所示。

图7 滤清器支架SEM形貌

亮白区域显示为析出的硅枝晶，灰部分为铝基体。图7a可以看出硅晶细小，结构和形状均匀完整。图7b可以看到在晶界处出现了偏析现象，且硅晶粒大小、分布不均匀。由SEM形貌分析可以得出结论，压铸件先凝固的地方晶粒结构较为规整，机械性能较好。而铸件热节处由于金属液体受热不均匀等原因，硅晶不完整，内部组织有少量的缺陷。

该滤清器支架压铸件在凝固过程中补缩效果良好，没有出现宏观缩孔，只出现少量显微缩松；通过打压测试等检测手段，压铸件打压效果理想，属于合格的压铸件，满足使用要求。

4 结论

(1)模具预热温度对滤清器支架压铸件的缩孔缩松影响显著，压射速度比较显著，而浇注温度对缩孔缩松的影响不显著。

(2)用ProCAST模拟软件进行充型和凝固过程数值模拟，优化出最佳的工艺参数：AlSi9Mg合金的浇注温度630℃，压射速度1.0m/s，模具预热温度200℃。

(3)用制造出的压铸模具进行压铸生产，滤清器支架压铸件激冷部位晶粒细小、致密；热节部位树枝晶较粗大，有显微缩松产生，但不影响铸件的使用，模拟结果可以用于实际生产中。

[1]黄勇，黄尧.压铸模具设计实用教程[M].北京：化学工业出版社，2011.

[2]杨杰，姚山，温斌，等.充型过程流动及其对凝固进程影响的研究[J].大型铸锻件，2003(1)：6-9.

[3]陈彬，曾小勤，胡斌，等.基于数值模拟的铝合金汽车零部件压铸工艺优化[J].铸造技术，2009，30(10)：1323-1325.

[4]V K Suri.The Determination of Correlmion Factors for Prediction of Shrinkage In Castings[M].Baltimore:Johns Hopkins University Press,1994.

[5]沈宪曾.压铸模具设计手册[M].北京：机械工业出版社，2006.

[6]杨宁，罗子豪，刘志军，等.链条盖压铸工艺及数值模拟研究[J].热加工工艺，2015，44(05)：76-78.

[7]李日.铸造工艺仿真ProCAST从入门到精通[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

[8]盛骤，谢式千，潘承毅.概率论与数理统计[M].北京：高等教育出版社，2008.

[9]刘致远.铸造CAE技术的应用[J].中国铸造装备与技术，2003，38(6)：26-29.

[10]Hong Yan,Wenwei Zhuang,Yong Hu.Numerical simulation of AZ91D alloy automobile plug in pressure die casting process[J].Journal of Materials Processing Technology,2007(187-188):349-353.

(责任编辑：赵丽琴)

Numerical Simulation and Craft Researching of Die-casting Filling and Solidification Process of Filter Bracket

AN Zhenxu，HUANG Yong，ZHANG Jing，MENG Zhaoxin

(Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China)

According to the structural characteristics of the aluminum filter bracket,the mold and process of the Die-casting was designed.The filling and solidification process were simulated by ProCAST software.The reasonable die casting technology parameters were determined:the pouring temperature of 630℃,injection speed of 1.0m/s and mold preheating temperature of 200℃.The manufactured mole was used to produce the Die-casting,and get the qualified casting.The simulation result can be applied to actual production.

filter bracket；aluminum；numerical simulation；die-casting

2015-09-21

安振须(1988—)，男，硕士研究生；通讯作者：黄勇(1959—)，男，教授，研究方向：液态金属先进成型技术、半固态成型。

1003-1251(2016)06-0033-06

TG249.2

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